3532: A curvatura do espaço-tempo vai ajudar o WFIRST a encontrar exoplanetas

CIÊNCIA/ASTRONOMIA

Esta ilustração mostra o conceito de micro-lente gravitacional. Quando uma estrela passa muito perto ou em frente de outra, pode “dobrar” a luz da estrela de fundo. Se a estrela mais próxima albergar um sistema planetário, os planetas também podem agir como lentes, cada um produzindo um curto desvio no brilho da fonte.
Crédito: Laboratório de Imagens Conceptuais do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA

O WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope) da NASA irá procurar planetas para lá do nosso Sistema Solar na direcção do centro da nossa Galáxia, a Via Láctea, onde estão a maioria das estrelas. O estudo das propriedades dos mundos exoplanetários ajudar-nos-á a entender o aspecto dos sistemas planetários por toda a Galáxia e como se formam e evoluem.

A combinação das descobertas do WFIRST com os resultados das missões Kepler e TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) da NASA vai dar por concluído o primeiro censo planetário sensível a uma ampla gama de massas e órbitas planetárias, aproximando-nos da descoberta de mundos habitáveis parecidos com a Terra, além do nosso próprio planeta.

Até à data, os astrónomos encontraram a maioria dos planetas quando passam em frente da sua estrela hospedeira em eventos chamados trânsitos, que diminuem temporariamente a luz da estrela. Os dados do WFIRST também podem detectar trânsitos, mas a missão irá observar principalmente o efeito oposto – pequenos picos de brilho produzido por um fenómeno de curvatura da luz chamado micro-lente. Estes eventos são muito menos comuns do que os trânsitos, porque dependem do alinhamento casual de duas estrelas amplamente separadas e sem relação à deriva no espaço.

“Os sinais de micro-lentes de pequenos planetas são raros e breves, mas são mais fortes do que os sinais de outros métodos,” disse David Bennett, que lidera o grupo de micro-lentes gravitacionais no Centro de Voo Espacial Goddard da NASA em Greenbelt, no estado norte-americano de Maryland. “Tendo em conta que é um evento em um milhão, a chave para o WFIRST encontrar planetas de baixa massa é pesquisar centenas de milhões de estrelas.”

Além disso, as micro-lentes são mais eficazes a encontrar planetas dentro e para lá da zona habitável – as distâncias em que os planetas podem ter água líquida à superfície.

Introdução às micro-lentes

Este efeito ocorre quando a luz passa perto de um objecto massivo. Qualquer coisa com massa distorce o tecido do espaço-tempo, como uma bola de bowling quando colocada num trampolim. A luz viaja numa linha recta, mas se o espaço-tempo for curvado – o que acontece próximo de algo massivo, como uma estrela – a luz segue a curva.

Sempre que duas estrelas se alinham a partir da nossa perspectiva, a luz da estrela mais distante é curvada à medida que se desloca pelo espaço-tempo curvo da estrela mais próxima. Este fenómeno, uma das previsões da teoria geral da relatividade de Einstein, foi confirmado pelo físico britânico Sir Arthur Eddington durante um eclipse solar total em 1919. Se o alinhamento for especialmente íntimo, a estrela mais próxima age como uma lente cósmica natural, focando e intensificando a luz da estrela de fundo.

Os planetas que orbitam a estrela no plano da frente também podem modificar a luz que passa pela lente, agindo como as suas próprias lentes gravitacionais minúsculas. A distorção que criam permite que os astrónomos meçam a massa e distância do planeta em relação à sua estrela hospedeira. É assim que o WFIRST irá usar micro-lentes para descobrir novos mundos.

Mundos familiares e exóticos

“Tentar interpretar populações planetárias hoje em dia é como tentar interpretar uma imagem com uma metade tapada,” disse Matthew Penny, professor assistente de física e astronomia da Universidade Estatal do Louisiana em Baton Rouge, EUA, que liderou um estudo para prever as capacidades de pesquisa de micro-lentes do WFIRST. “Para entender completamente a formação dos sistemas planetários, precisamos encontrar planetas de todas as massas a todas as distâncias. Nenhuma técnica pode fazer isso, mas o levantamento de micro-lentes do WFIRST, em combinação com os resultados do Kepler e do TESS, revelará muito mais da imagem.”

Até à data foram confirmados mais de 4000 exoplanetas, mas apenas 86 foram descobertos através de micro-lentes. As técnicas usadas frequentemente para encontrar outros mundos são direccionadas a planetas que tendem a ser muito diferentes daqueles do nosso Sistema Solar. O método de trânsito, por exemplo, é melhor para encontrar planetas do tipo sub-Neptuno que têm órbitas muito mais pequenas do que Mercúrio. Para um sistema planetário como o nosso, os estudos de trânsito podem perder todos os planetas.

O levantamento de micro-lentes do WFIRST vai ajudar a encontrar análogos de todos os planetas do nosso Sistema Solar à excepção de Mercúrio, cuja baixa massa e órbita pequena se combinam para o colocar fora do alcance da missão. O WFIRST vai encontrar planetas que têm a massa da Terra e ainda mais pequenos – talvez até luas grandes, como a lua de Júpiter, Ganimedes.

O WFIRST também conseguirá encontrar planetas pertencentes a outras categorias pouco estudadas. As micro-lentes são mais adequadas para encontrar mundos a partir da zona habitável para fora. Isto inclui gigantes gelados, como Úrano e Neptuno do nosso Sistema Solar, e até planetas flutuantes – mundos que vagueiam livremente pela Galáxia, sem ligação a qualquer estrela.

Embora os gigantes de gelo sejam uma minoria no nosso Sistema Solar, um estudo de 2016 indicou que podem ser o tipo planetário mais comum da Galáxia. O WFIRST irá colocar essa teoria à prova e irá ajudar-nos a melhor entender quais as características planetárias mais prevalecentes.

O WFIRST vai explorar regiões da Galáxia que ainda não foram sistematicamente examinadas em busca de exoplanetas devido aos diferentes objectivos das missões anteriores. O Kepler, por exemplo, investigou uma região de tamanho modesto com aproximadamente 100 graus quadrados com 100.000 estrelas a distâncias típicas de mais ou menos 1000 anos-luz. O TESS varre o céu inteiro e rastreia 200.000 estrelas, no entanto as suas distâncias típicas rondam os 100 anos-luz. O WFIRST irá investigar aproximadamente 3 graus quadrados, mas seguirá 200 milhões de estrelas a distâncias de aproximadamente 10.000 anos-luz.

Dado que o WFIRST é um telescópio infravermelho, conseguirá ver através das nuvens de poeira que impedem outros telescópios de estudar planetas na região central e movimentada da nossa Galáxia. A maioria das observações terrestres de micro-lentes, até ao momento, têm sido no visível, tornando o centro da Via Láctea um território largamente inexplorado. Um levantamento de micro-lentes, realizado desde 2015 e usando o UKIRT (United Kingdom Infrared Telescope) no Hawaii, está a pavimentar o caminho para o censo exoplanetário do WFIRST, mapeando a região.

O levantamento UKIRT está a fornecer as primeiras medições da taxa de eventos de micro-lentes na direcção do núcleo da Galáxia, onde as estrelas estão mais densamente concentradas. Os resultados vão ajudar os astrónomos a seleccionar a estratégia de observação final para o esforço de micro-lentes do WFIRST.

O objectivo mais recente da equipa do UKIRT é detectar eventos de micro-lentes usando aprendizagem de máquina, que será vital para o WFIRST. A missão vai produzir uma quantidade tão grande de dados que não seria prático visualizá-los apenas a olho. O aperfeiçoamento da procura exigirá processos automatizados.

Os resultados adicionais do UKIRT apontam para uma estratégia de observação que revelará o maior número possível de eventos de micro-lentes, evitando as nuvens mais espessas de poeira que podem bloquear até a luz infravermelha.

“O nosso levantamento actual com o UKIRT está a criar as bases para que o WFIRST possa implementar o primeiro levantamento espacial dedicado às micro-lentes,” disse Savannah Jacklin, astrónoma da Universidade de Vanderbilt em Nashville, Tennessee, EUA, que liderou vários estudos do UKIRT. “As missões exoplanetárias anteriores expandiram o nosso conhecimento dos sistemas planetários e o WFIRST dará um passo gigante para entender melhor como os planetas – particularmente aqueles dentro da zona habitável das suas estrelas hospedeiras – se formam e evoluem.”

De anãs castanhas a buracos negros

A mesma pesquisa de micro-lentes que irá revelar milhares de planetas também irá detectar centenas de outros objectos cósmicos bizarros e interessantes. Os cientistas serão capazes de estudar corpos flutuantes com massas que variam entre a de Marte e 100 vezes a do Sol.

O limite inferior deste intervalo de massas inclui planetas expelidos das suas estrelas hospedeiras e que agora vagueiam a Galáxia como planetas flutuantes ou fugitivos. A seguir, estão as anãs castanhas, demasiado grandes para serem caracterizadas como planetas, mas não suficientemente massivas para se tornarem estrelas. As anãs castanhas não brilham visivelmente como estrelas, mas o WFIRST será capaz de as estudar no infravermelho através do calor que resta da sua formação.

Os objectos na extremidade superior incluem “cadáveres” estelares – estrelas de neutrões e buracos negros – deixados para trás quando as estrelas massivas esgotam o seu combustível. O estudo e a medição das suas massas vão ajudar os cientistas a compreender mais sobre a morte das estrelas, ao mesmo tempo que fornecem um censo dos buracos negros de massa estelar.

“O levantamento de micro-lentes do WFIRST avançará não apenas a nossa compreensão dos sistemas planetários,” disse Penny, “como também permitirá toda uma série de outros estudos sobre a variabilidade de 200 milhões de estrelas, a estrutura e a formação da Via Láctea interior e a população de buracos negros e outros objectos escuros e compactos que são difíceis ou impossíveis de estudar de qualquer outra maneira.”

Infelizmente, o orçamento deste ano da NASA apenas tem fundos para o desenvolvimento do WFIRST até Setembro de 2020. O orçamento de 2021 propõe a interrupção do financiamento da missão WFIRST e um maior foco na conclusão do Telescópio Espacial James Webb, agora com lançamento planeado para Março de 2021. A administração da agência espacial não está pronta para prosseguir com outro telescópio extremamente caro até que o Webb seja lançado com sucesso.

Astronomia On-line
3 de Abril de 2020

 

spacenews

 

2730: NASA prepara-se para equipar o WFIRST com “óculos de sol” cósmicos

CIÊNCIA

Quando o WFIRST da NASA abrir os olhos em meados da década de 2020, o telescópio espacial vai observar o Universo através dos mais sofisticados “óculos de sol” alguma vez projectados.

O instrumento de coronagrafia poderia adoptar o nome de “óculos estelares”, uma vez que se trata de um sistema de máscaras, prismas, detectores e espelhos flexíveis para bloquear o brilho de estrelas distantes e, desta forma, revelar planetas em órbita ao seu redor.

Segundo Jason Rhodes, um cientista da NASA, o brilho é “avassalador”, de tal forma que consegue apagar qualquer probabilidade de serem observadores exoplanetas ao redor das estrelas.

As partículas de luz – fotões – de uma estrela dominam qualquer luz vinda de um planeta em órbita quando atingem o telescópio. “O que estamos a tentar fazer é cancelar mil milhões de fotões da estrela para cada um que capturarmos do planeta.”

Neste sentido, o coronógrafo do WFIRST acaba de completar um marco importante: uma revisão preliminar do projecto da NASA. Segundo o Europa Press, isto significa que o instrumento atendeu a todos os requisitos de design, calendário e orçamento e pode agora passar para a próxima fase: construir o hardware que voará no Espaço.

O coronógrafo da missão WFIRST tem como objectivo demonstrar o poder da tecnologia. À medida que capturamos a luz directamente de grandes exoplanetas gasosos e discos de poeira e gás que circundam outras estrelas, o instrumento irá indicar o caminho para desenvolver tecnologias para telescópios espaciais ainda maiores e ambiciosos.

De acordo com a NASA, os futuros telescópios com coronógrafos ainda mais sofisticados poderão gerar “imagens” de pixel único de planetas rochosos do tamanho da Terra. A luz poderá estender-se a um arco-íris chamado “espectro”, que revelará quais os gases presentes na atmosfera do planeta – oxigénio, metano, dióxido de carbono e até sinais de vida.

“Com o WFIRST vamos conseguir obter imagens e espectros destes grandes planetas, com o objectivo de testar tecnologias que serão usadas numa missão futura: eventualmente observar pequenos planetas rochosos que podem ter água líquida nas suas superfícies ou até sinais de vida, como o nosso”, explicou Rhodes.

O WFIRST é uma espécie de pioneiro e é por isso que a NASA considera o coronógrafo como uma “demonstração de tecnologia”. O principal objectivo, além de ajudar a fazer descobertas científicas importantes, é provar à comunidade científica que os coronógrafos complexos podem mesmo funcionar no Espaço.

“Este pode ser o instrumento astronómico mais complicado que alguma vez voou”, rematou Jason Rhodes.

ZAP //

Por ZAP
28 Setembro, 2019

 

2696: WFIRST da NASA vai ajudar a descobrir o destino do Universo

Impressão de artista do WFIRST.
Crédito: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA

Os cientistas descobriram que uma pressão misteriosa chamada “energia escura” compõe cerca de 68% do conteúdo energético total do cosmos, mas até agora não sabemos muito sobre ela. A exploração da natureza da energia escura é uma das principais razões pelas quais a NASA está a construir o WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope), um telescópio espacial cujas medições vão ajudar a iluminar o quebra-cabeças da energia escura. Com uma melhor compreensão da energia escura, teremos uma melhor noção da evolução passada e futura do Universo.

Um Cosmos em expansão

Até ao século XX, a maioria das pessoas achava que o Universo era estático, permanecendo essencialmente inalterado por toda a eternidade. Quando Einstein desenvolveu a sua teoria geral da relatividade em 1915, descrevendo como a gravidade actua através do tecido do espaço-tempo, ele ficou intrigado ao descobrir que a teoria indicava que o cosmos ou devia expandir-se ou contrair-se. Ele fez alterações para preservar um Universo estático, acrescentando algo que chamou de “constante cosmológica”, mesmo não existindo evidências da sua existência. Esta força misteriosa deveria neutralizar a gravidade para manter tudo no lugar.

No entanto, no final da década de 1920, o astrónomo George Lemaitre, e depois Edwin Hubble, fizeram a descoberta surpreendente de que, com poucas excepções, as galáxias estão a afastar-se umas das outras. O Universo estava longe de ser estático – estava a “inchar”. Consequentemente, se imaginarmos rebobinar esta expansão, deverá ter havido uma altura em que tudo no Universo estava quase impossivelmente quente e próximo.

O fim do Universo: fogo ou gelo?

A teoria do Big Bang descreve a expansão e a evolução do Universo a partir deste estado inicial super-quente e super-denso. Os cientistas teorizaram que a gravidade acabaria por desacelerar e possivelmente até reverter completamente esta expansão. Se o Universo tivesse matéria suficiente, a gravidade superaria a expansão e o Universo entraria em colapso num grande “Big Crunch” de fogo.

Caso contrário, a expansão nunca terminaria – as galáxias afastar-se-iam umas das outras cada vez mais até que passassem para lá da orla do Universo observável. Os nossos distantes descendentes poderão não ter conhecimento da existência de outras galáxias uma vez que estariam demasiado longe para serem visíveis. Grande parte da astronomia moderna pode um dia ser reduzida a mera lenda, à medida que o Universo desvanece gradualmente para uma gelada escuridão.

O Universo não está apenas a expandir-se – está a acelerar

Os astrónomos mediram o ritmo de expansão usando telescópios terrestres para estudar explosões de super-novas relativamente próximas. O mistério cresceu em 1998 quando observações de super-novas mais distantes, pelo Telescópio Espacial Hubble, ajudaram a mostrar que o Universo realmente se expandiu mais lentamente no passado do que hoje. A expansão do Universo não está a diminuir devido à gravidade, como todos pensavam. Está a acelerar.

Avançando rapidamente para hoje. Embora ainda não saibamos, exactamente, a razão desta aceleração, a “culpada” recebeu um nome – energia escura. Esta pressão misteriosa permaneceu desconhecida por tanto tempo porque é tão fraca que a gravidade se sobrepõe a ela à escala dos humanos, dos planetas e até da nossa Galáxia. Está presente na sua sala enquanto lê, dentro do seu próprio corpo, mas a gravidade neutraliza-a para que não saia a voar do seu lugar. Somente a escalas inter-galácticas é que a energia escura se torna perceptível, agindo como uma espécie de oposição fraca à gravidade.

O que é a energia escura?

O que é, exactamente, a energia escura? Desconhecemos mais do que sabemos, mas os teóricos estão à procura de algumas explicações possíveis. A aceleração cósmica pode ser provocada por um novo componente energético, o que exigiria alguns ajustes na teoria da gravidade de Einstein – talvez a constante cosmológica, que Einstein chamou do seu maior erro seja, afinal, real.

Alternativamente, a teoria da gravidade de Einstein pode quebrar-se a escalas cosmológicas. Se for esse o caso, a teoria precisará de ser substituída por uma nova que incorpore a aceleração cósmica que observamos. Os teóricos ainda não sabem qual é a explicação correta, mas o WFIRST ajudar-nos-á a descobrir.

WFIRST irá iluminar a energia escura

As missões anteriores reuniram algumas pistas, mas até agora não produziram resultados que favorecem fortemente uma explicação ou outra. Com a mesma resolução das câmaras do Hubble, mas com um campo de visão 100 vezes maior, o WFIRST produzirá imagens grandes do Universo nunca antes vistas. A nova missão avançará a exploração da energia escura de maneiras que outros telescópios não conseguem, mapeando como a matéria é estruturada e distribuída por todo o cosmos e medindo também um grande número de super-novas distantes. Os resultados indicarão como a energia escura actua por todo o Universo e se mudou ao longo da história cósmica.

A missão vai usar três métodos de pesquisa para procurar uma explicação da energia escura.

O HLSS (High Latitude Spectroscopic Survey) vai medir com precisão distâncias e posições de milhões de galáxias usando uma técnica de “régua padrão”. A medição de como a distribuição das galáxias varia com a distância vai abrir uma janela para a evolução da energia escura ao longo do tempo. Este estudo vai ligar as distâncias das galáxias com os ecos de ondas sonoras logo após o Big Bang e testar a teoria da gravidade de Einstein ao longo da idade do Universo.

O WFIRST também vai realizar um levantamento de um tipo de explosão estelar, baseando-se nas observações que levaram à descoberta da expansão acelerada. As super-novas do Tipo Ia ocorrem quando as estrelas anãs brancas explodem. As super-novas do Tipo Ia geralmente têm o mesmo brilho absoluto no seu pico, tornando-as no que os astrónomos apelidam de “velas padrão”. Isto significa que os astrónomos podem determinar a que distância estão a ver o seu brilho da Terra – e quanto mais longe estão, mais ténues parecem. Os astrónomos também vão observar comprimentos de onda específicos provenientes de super-novas para descobrir com que rapidez as estrelas moribundas estão a afastar-se nós. Ao combinarem distâncias com medições de brilho, os cientistas podem ver como a energia escura evoluiu ao longo do tempo, fornecendo uma verificação cruzada com os dois levantamentos.

Adicionalmente, o HLIS (High Latitude Imaging Survey) vai medir as formas e distâncias de inúmeras galáxias e enxames galácticos. A imensa gravidade de objectos massivos distorce o espaço-tempo e faz com que as galáxias mais distantes pareçam distorcidas. A observação do grau de distorção permite que os cientistas possam inferir a distribuição de massa por todo o cosmos. Isto inclui toda a matéria que podemos ver directamente, como planetas e estrelas, bem como a matéria escura – outro mistério cósmico escuro que é “visível” apenas devido aos seus efeitos gravitacionais sobre a matéria normal. Este levantamento fornecerá uma medição independente do crescimento da estrutura a larga escala do Universo e de como a energia escura tem afectado o cosmos.

“A missão WFIRST é única na combinação destes três métodos. Levará a uma interpretação muito robusta e rica dos efeitos da energia escura e permitir-nos-á fazer uma declaração definitiva sobre a natureza da energia escura,” disse Olivier Doré, cientista do JPL da NASA em Pasadena, no estado norte-americano da Califórnia, e líder da equipa que está a planear os dois primeiros métodos de pesquisa com o WFIRST.

Descobrir como a energia escura afectou a expansão do Universo no passado vai lançar alguma luz sobre como influenciará a expansão no futuro. Se continuar a acelerar a expansão do Universo, podemos estar destinados a sofrer um “Big Rip”. Neste cenário, a energia escura acabará por tornar-se dominante sobre as forças fundamentais, fazendo com que tudo o que está actualmente unido – galáxias, planetas, pessoas – se separe. A exploração da energia escura vai permitir-nos investigar e possivelmente prever o destino do Universo.

Astronomia On-line
24 de Setembro de 2019